Файл: Автомобильного транспорта.pdf

130
На автомобилях с дизельным двигателем в составе выпускной системы с 2000 года применяется сажевый фильтр. С введением норм ЕВРО-5 в январе 2011 года применение сажевого фильтра на автомобилях с дизельным двигателем является обязательным.
Дизельный сажевый фильтр (в английском варианте Diesel particulate filter,
DPF, в французском варианте Filtre a particules, FAP, в немецком варианте Rub partikel filter, RPF) предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами. Применение фильтра позволяет добиться снижения частиц сажи в отработавших газах до 99,9 %.
В дизельном двигателе сажа образуется при неполном сгорании топлива.
Частицы сажи имеют размер от 10 нм до 1 мкм. Каждая частица состоит из углеродного ядра, с которым соединены углеводороды, оксиды металлов, сера и вода. Конкретный состав сажи определяется режимом работы двигателя и составом топлива.
В выпускной системе сажевый фильтр располагается за каталитическим нейтрализатором. В ряде конструкций сажевый фильтр объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа и располагается сразу за выпускным коллектором там, где температура отработавших газов максимальна. Он называется сажевый фильтр с каталитическим покрытием.
Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Матрица помещена в металлический корпус. Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Боковые стенки каналов имеют пористую структуру и играют роль фильтра.
В сечении ячейки матрицы имеют квадратную форму. Более совершенными являются входные ячейки восьмиугольной формы. Они имеют большую площадь поверхности (по сравнению с выходными ячейками), пропускают больше отработавших газов и обеспечивают больший срок службы сажевого фильтра.

131
В работе сажевого фильтра различается два последовательных этапа: фильтрация и регенерация сажи. При фильтрации происходит захват частиц сажи и оседание их на стенках фильтра. Наибольшую сложность для задержания представляют частицы сажи малого размера (от 0,1 до 1 мкм). Их доля невелика (до
5 %), но это самые опасные для человека выбросы. Современные сажевые фильтры задерживают и эти частицы.
Скопившиеся при фильтрации частицы сажи создают препятствие для отработавших газов, что приводит к снижению мощности двигателя. Поэтому периодически требуется очистка фильтра от накопившейся сажи или регенерация.
Различают пассивную и активную регенерацию сажевого фильтра. В современных фильтрах используется, как правило, комбинированная регенерация.
Пассивная регенерация сажевого фильтра осуществляется за счет высокой температуры отработавших газов (порядка 600 °С), которая достигается при работе двигателя на максимальной нагрузке. Другим способом пассивной регенерации является добавление в топливо специальных присадок, которые обеспечивают сгорание сажи при более низкой температуре от 450 °С до 500 °С.
На определенных режимах работы двигателя (небольшая нагрузка, движение в городе и др.) наблюдается недостаточно высокая температура отработавших газов и пассивная регенерация происходить не может. В этом случае осуществляется активная (принудительная) регенерация сажевого фильтра.
Активная регенерация сажевого фильтра производится путем принудительного повышения температуры отработавших газов в течение определенного промежутка времени. Накопленная при этом сажа окисляется
(сгорает). Различают несколько способов увеличения температуры отработавших газов при активной регенерации:
₋ поздний впрыск топлива;
₋ дополнительный впрыск топлива на такте выпуска;
₋ использование электрического нагревателя перед сажевым фильтром;
₋ впрыск порции топлива непосредственно перед сажевым фильтром;
₋ нагрев отработавших газов микроволнами.

132
Конструкция сажевого фильтра и систем, обеспечивающих его работу, постоянно совершенствуется. В настоящее время наиболее востребован сажевый фильтр с каталитическим покрытием и сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо.
Сажевый фильтр с каталитическим покрытием применяется на автомобилях концерна Volkswagen и ряда других производителей (рисунок 4.7).
1 – приборная панель; 2 – блок управления двигателем; 3 – расходомер воздуха; 4 – дизельный двигатель; 5 – датчик температуры отработавших газов перед турбокомпрессором; 6 – турбокомпрессор; 7 – датчик температуры отработавших газов перед сажевым фильтром; 8 – кислородный датчик; 9 – сажевый фильтр; 10 – датчик перепада давления в сажевом фильтре; 11 – датчик температуры отработавших газов после сажевого фильтра; 12 – глушитель
Рисунок 4.7 – Схема сажевого фильтра с каталитическим покрытием [2]
В работе сажевого фильтра с каталитическим покрытием различают активную и пассивную регенерацию.
При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора (платины) и высокой температуры отработавших газов от
350°С до 500°С. Цепочка химических преобразований при пассивной регенерации имеет следующий вид:
₋ оксиды азота вступают в реакцию с кислородом в присутствии катализатора с образованием диоксида азота;
₋ диоксид азота вступает в реакцию с частицами сажи (углеродом) с образованием оксида азота и угарного газа;

133
₋ оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота и углекислого газа.
Активная регенерация происходит при температуре от 600 °С до 650 °С, которая создается при помощи системы управления дизелем. Необходимость активной регенерации определяется на основании оценки пропускной способности сажевого фильтра, которая осуществляется с помощью следующих датчиков системы управления дизелем: расходомера воздуха; температуры отработавших газов до сажевого фильтра; температуры отработавших газов после сажевого фильтра; перепада давления в сажевом фильтре.
На основании электрических сигналов датчиков электронный блок управления производит дополнительный впрыск топлива в камеру сгорания, а также снижает подачу воздуха в двигатель и прекращает рециркуляцию отработавших газов. При этом температура отработавших газов поднимается до требуемой для рециркуляции величины.
Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо является разработкой концерна PSA (Peuqeot-Citroen). Так как первопроходцами использования присадок для регенерации являются французские автопроизводители, за фильтром закрепилось название FAP-фильтр (от французского Filtre a particules). Аналогичный подход реализован в сажевых фильтрах других автопроизводителей (Ford, Toyota).
В системе используется присадка, содержащая церий, которая добавляется в топливо и обеспечивает сжигание сажи при более низкой температуре от 450 °С до
500 °С. Но и эта температура отработавших газов не всегда может быть достигнута, поэтому в системе периодически выполняется активная регенерация сажевого фильтра. Сажевый фильтр устанавливается, как правило, отдельно за каталитическим нейтрализатором (рисунок 4.8).
Присадка хранится в отдельном бачке, емкостью 3…5 л. Присадки хватает на
80…120 тыс. км пробега (срок службы фильтра). Конструктивно бачок может находиться в топливном баке или вне его. Уровень присадки в бачке контролируется с помощью датчика поплавкового типа. В топливный бак присадка подается с

134 помощью электрического насоса. Подача присадки осуществляется при каждой заправке топливного бака пропорционально заправляемому объему топлива.
1 – приборная панель; 2 – блок управления двигателем; 3 – бачок для хранения присадки; 4 – датчик уровня присадки в бачке; 5 – электрический насос; 6 – топливный бак; 7 – дизельный двигатель; 8 – датчик температуры отработавших газов перед турбокомпрессором; 9 – турбокомпрессор; 10 – кислородный датчик; 11
– каталитический нейтрализатор; 12 – датчик температуры отработавших газов перед сажевым фильтром; 13 – сажевый фильтр; 14 – датчик перепада давления в сажевом фильтре; 15 – глушитель; 16 – расходомер воздуха
Рисунок 4.8 – Схема сажевого фильтра с системой ввода присадок в топливо
[2]
Начало и продолжительность подачи присадки регулируется блоком управления двигателем (в некоторых конструкциях отдельным электронным блоком). Побочным эффектом применения присадки является то, что при сгорании она оседает в виде золы на стенки фильтра и не выводится из него, что сокращает ресурс устройства.
Срок службы современного сажевого фильтра составляет 120000 км пробега.
Производители декларируют выпуск в ближайшее время фильтра с ресурсом 250000 км.

135
Экологические требования к современным автомобилям становятся все строже. Только автопроизводители выполнили нормы ЕВРО-5, как в 2014 году вступили в силу нормы ЕВРО-6. Обязательными конструктивными элементами автомобиля стали каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр и пр. Для дизельных двигателей начинает применяться система избирательной каталитической нейтрализации.
Система избирательной каталитической нейтрализации (другое название – система селективного каталитического восстановления, Selective catalytic reduction,
SCR) применяется на автомобилях с дизельным двигателем с 2004 года. Система снижает уровень оксидов азота в отработавших газах и, тем самым, позволяет выполнить нормы токсичности ЕВРО-5 и ЕВРО-6.
Система SCR является разработкой компании FPT Industrial, входящей в состав Fiat. Система устанавливается на грузовых и легковых автомобилях, автобусах. В настоящее время систему избирательной каталитической нейтрализации применяет на своих легковых автомобилях Audi, BMW, Mazda,
Mercedes-Benz, Mini, Volkswagen.
Название системы свидетельствует о том, что нейтрализация отработавших газов происходит избирательно – снижается содержание только оксидов азота. По своему предназначению система селективного каталитического восстановления является альтернативой системы рециркуляции отработавших газов.
Конструктивно система избирательной каталитической нейтрализации включает бак, насос, форсунку, механический смеситель, восстановительный катализатор, систему электронного управления и систему подогрева (рисунок 4.9).
Нейтрализация оксидов азота осуществляется с помощью восстановительного реагента, в качестве которого выступает 32,5 % раствор мочевины. Именно при такой концентрации температура замерзания раствора мочевины имеет минимальное значение. Применяемый в системе SCR раствор мочевины имеет торговое название AdBlue.
Бак является резервуаром для хранения мочевины. Объем и количество баков определяется конструкцией системы и мощностью двигателя. В зависимости от

136 условий эксплуатации расход мочевины составляет 2…4% от расхода топлива.
Насос служит для подачи мочевины к форсунке под определенным давлением. Он имеет электрический привод и устанавливается непосредственно в баке мочевины.
1 – раствор мочевины; 2 – бак; 3 – модуль подачи мочевины; 4 – заливная горловина; 5 – блок управления двигателем; 6 – блок управления системы подогрева мочевины; 7 – нагревательный элемент насоса; 8 – нагревательный элемент бака; 9 – нагревательный элемент трубопровода; 10 – блок контроля уровня мочевины; 11 – датчик уровня мочевины; 12 – датчик температуры мочевины; 13 – датчик давления мочевины; 14 – насос; 15 – обратный клапан; 16 – фильтр; 17 – форсунка; 18 – датчик температуры отработавших газов; 19 – датчик оксидов азота; 20 – блок управления датчика оксидов азота
Рисунок 4.9 – Схема системы избирательной каталитической нейтрализации
[2]
Для перекачки мочевины используют насосы различных типов: шестеренный, мембранный.
В нагнетательную магистраль системы нейтрализации включен электромагнитный клапан обратной перекачки мочевины. При выключении двигателя автомобиля клапан обеспечивает перекачку мочевины из трубопровода обратно в бак. Форсунка впрыскивает определенное количество мочевины в выпускной тракт, а именно в направляющую трубу.

137
Следом за форсункой в направляющей трубе установлен механический смеситель, который дробит капли мочевины для испарения, а также закручивает отработавшие газы для лучшего смешивания с мочевиной. Направляющая труба заканчивается восстановительным нейтрализатором, имеющим сотовую структуру.
Стенки нейтрализатора покрыты веществом, ускоряющим восстановление оксидов азота (цеолит меди, пентаоксид ванадия).
Электронная система управления традиционно включает входные датчики, блок управления и исполнительные устройства. Входными устройствами системы управления являются датчики давления мочевины, уровня мочевины и температуры мочевины, датчик оксидов азота и датчик температуры отработавших газов.
Датчик давления мочевины контролирует давление, создаваемое насосом.
Датчик уровня мочевины следит за уровнем мочевины в баке. Информация об уровне и необходимости дозаправки системы выводится на комбинацию приборов и сопровождается звуковым сигналом. Датчик температуры обеспечивает измерение температуры мочевины. Перечисленные датчики устанавливаются в модуле подачи мочевины (в баке).
Датчик оксидов азота определяет содержание оксидов азота в отработавших газах после каталитической нейтрализации и поэтому устанавливается после восстановительного нейтрализатора. Датчик температуры отработавших газов непосредственно запускает процесс нейтрализации при достижении отработавшими газами температуры 200 °С.
Сигналы от входных датчиков поступают в электронный блок управления, в качестве которого выступает блок управления двигателем. В соответствии с заложенным алгоритмом по команде блока управления активизируются определенные исполнительные устройства: электродвигатель насоса, электромагнитная форсунка, электромагнитный клапан обратной перекачки, а также поступают сигналы в блок управления системой подогрева.
Используемый в системе SCR раствор мочевины имеет температуру замерзания ниже -11 °С и при определенных условиях требуется его подогрев.
Функцию подогрева мочевины выполняет отдельная система, включающая датчики

138 температуры мочевины и температуры наружного воздуха, блок управления и нагревательные элементы. В зависимости от конструкции системы нагревательные элементы устанавливаются в баке, насосе и трубопроводе. Подогрев мочевины начинается при температуре окружающего воздуха ниже -5 °С.
Работа системы избирательной каталитической нейтрализации осуществляется следующим образом. Впрыскиваемая форсункой мочевина подхватывается потоком отработавших газов, перемешивается и испаряется с помощью смесителя. На участке до восстановительного катализатора мочевина распадается на аммиак и углекислый газ. В нейтрализаторе аммиак вступает в реакцию с оксидами азота, в результате которой образуются безопасные азот и вода.
4.1.2 Совершенствование двигателей автомобилей с целью соответствия их требованиям, ограничивающим их акустическое излучение, предполагает работу по двум принципиально разных направлениям [3]:
1) «пассивное» снижение шума, не связанное с существенной рационализацией ДВС;
2) «активное» уменьшение акустического излучения, предполагающее целенаправленные изменения характера процессов, протекающих в двигателе, а также изменение его конструкции.
Пассивное снижение шума реализуется в основном:
₋ применением капсул, акустически герметизирующих двигатель в подкапотном пространстве;
₋ использованием звукопоглощающих и звукоотражающих экранов устанавливаемых в направлении распространения звуковых волн от двигателя к точкам измерения шума при его нормативной оценке.
Капсулирование двигателя дает наибольший акустический эффект. Лучшие конструкции звукоизолирующих капсул ДВС позволяют снизить уровни звука на 8
– 10 дБА.
В конструкции капсул используются специальные материалы с высокими звукоизолирующими и звукопоглощающими свойствами. В настоящее время конструкции капсул изготавливают из полимерных материалов, имеющих:

139
₋ высокие показатели шумоизоляции и вибродемпфирования
– акустическую эффективность 6 – 8 дБА;
₋ малую плотность (около 350 г/м
3
);
₋ массу 25 – 40 кг.
Они увеличивают стоимость автомобиля среднего класса на 5 % – 8 %.
Звукоизолирующие и звукопоглощающие экраны, размещаемые в моторном отсеке обладают меньшим по сравнению с капсулами акустическим эффектом. При акустическом эффекте не более 1,5 – 2,0 дБА целесообразность таких мероприятий ограничивается возрастающей материалоемкостью конструкции и усложнением обслуживания и эксплуатации автомобиля.
Системы впуска и выпуска отработавших газов являются источниками шума аэродинамического происхождения. Для их шумоглушения используются специальные устройства, конструкция которых не затрагивает базовых элементов самого двигателя.
Основная задача конструирования этих систем заключается в обеспечении заданных параметров заглушения при минимальных габаритах, массе и стоимости системы. Полностью этим требованиям удовлетворяют применяемые на автомобилях в настоящее время двухкаскадные реактивно-активные системы шумоглушения. Включение в конструкцию системы выпуска нейтрализаторов способствует улучшению заглушающих свойств системы, так как принципы функционирования нейтрализаторов способствуют снижению шума выпуска.
Более актуальным вопросом в настоящее время является совершенствование акустических качеств системы впуска, что связано с жёсткими ограничениями её массогабаритных и гидравлических характеристик.
Обязательные для систем впуска автомобилей воздухоочистители являются весьма эффективными глушителями шума процесса впуска. Они выполняют, как правило, роль камерного глушителя.
При этом для эффективного снижения составляющей спектра шума с частотой, равной частоте следования тактов впуска, необходимо обеспечить нужную геометрию впускного тракта – в основном требуемую его длину.